污水处理技术工艺

曝气技术对城市黑臭水体的影响研究进展

发布日期:2019-04-25 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

1. 引言

近年来,随着社会的发展,水体污染日益引起人们的关注。严重超过受污染水体中诸如鳕鱼、氮和磷等污染物的浓度,导致城市水体富营养化,直接造成季节性或全年的黑白水气味[1]和.截至2016年,地级以上295个城市的黑臭水体总量为2014年。城市水体普遍受到污染,黑臭水体逐渐增多,严重影响了居民的生活质量[2],有数据显示,中国近90条河流受到不同程度的污染。主要表现为静止的水流,水体缺氧,透明度低,到2020年甚至经常出现黑色和气味[3],全国县级以上城市建成区的黑臭水体将控制在10英寸以内;到2030年,城市建成区的整体黑臭水体已被淘汰[4],……城市黑臭水体不仅给我国的发展带来瓶颈,同时也严重影响了生态系统结构的不平衡和人们的感官体验。因此,城市中的黑臭水体已成为目前突出的水环境问题。

目前,国内外采用曝气复氧技术处理城市黑臭水取得了一定的效果。本文在大量学者研究的基础上,通过大量的文献调查和分析,系统地回顾和总结了城市黑臭水体形成的原因以及曝气技术对城市黑臭水体的影响。展望了今后的研究方向和重点。曝气与城市黑臭水净化的关系为今后水环境治理的研究提供了依据。

2. 曝气技术概述

(1)曝气复氧技术简介及基本原理

曝气和复氧技术的研究已在国外开展了40多年,对城市黑臭河道修复的研究起着重要作用。河流曝气技术已在许多国家采用。河道曝气技术[5]是利用人工曝气来弥补自然曝气的不足。它使用人造空气用氧气或氧气填充水,加速水的再氧化过程,提高水的溶解氧水平,恢复和增强水分。氧气微生物的活动减缓了沉积物中磷的释放,从而净化了水中的污染物,改善了河水的水质。河水中溶解氧含量是反映水体污染状况的重要指标。污染水体中溶解氧浓度的过程反映了河流的自净过程。溶解氧在河水的自净过程中起着非常重要的作用。水体的自净能力直接与通气能力有关[6]。曝气和氧化可以减缓沉积物中磷的释放,氧化或降解表层沉积物中的还原物质;因此,表面沉积物的表面层形成由兼性细菌主导的环境并促进需氧微生物的繁殖。它抑制厌氧微生物,水中有机物的好氧降解,逐步提高水的溶解氧水平,提高水体的自净能力,改善水环境[7]。通气和再氧化还可以通过减少河水中溶解氧与产生黑色气味的还原性物质(H2S,FeS等)之间的红色气味,有效地减少或改善黑色气味,同时可以确保水体。好氧环境抑制厌氧微生物,增加水中好氧微生物的活性,达到降低污染负荷的目的[8]。河流曝气和复氧一般适用于以下两种情况:第一种是在污水拦截管道和污水处理厂建成之前,例如德国莱茵河支流,人为地给河水体的有机污染问题加氧。 。二是在河流中设置人工曝气装置,作为应对突发性河流污染的应急措施。突发性河流污染是指连续降雨过程中城市雨土混合排水系统的溢流,或企业因突发事故排放废水造成的污染。另外,在夏季,由于水温较高,有机物的降解速率和耗氧率增加,这也可能导致水中的溶解氧减少。在上述两种情况发生后,河流的通气和再氧化是恢复河流生态环境和自净能力的有效措施[6] [9]。河道曝气和复氧具有效果快,效果好,占地面积小,设备投资少,操作简单,可处理水量大,无二次污染,成本不足等优点。 25%的污水处理厂投资具有相同的处理效果,是一种污染控制河流技术,投资少,见效快[10] [11]。

(2)曝气复氧技术分类

根据对黑臭河流的处理条件,包括水深、流速、河段形状、周围环境条件等,确定长期污染负荷、冲击污染负荷等污染源的特点。河流中的空气曝气和氧气回收的主要方法是吹散式曝气、表面刷气、喷射式曝气和船载式流动曝气。其目的是增加污水的浓度,加速水中污染物的分解和净化[12],从工作原理上,它分为:纯氧微孔管曝气系统(bix过程)、吹微孔气管曝气系统,叶轮吸入推动曝气装置、曝气氧容器、太阳能曝气机(太阳能"Bee")、水下喷射曝气设备、叶轮型氧增压器、长期低强度曝气方法等组合微生物技术、植物净化技术、复合酶技术结合了生态恢复技术[13]和.表1比较了各种主要曝气设备的主要特性[6][14][15]和.

3。城市黑臭水体成因分析

(一) 黑臭水体污染源

1) 外源污染

由于目前的区域条件和污水网络不完全截留污染,沿江将产生各种工业废水、生活污水、地表径流、垃圾等外部污染,造成河流污染负荷增加[16]。含有大量有机污染物的废水直接排放到水体中。有机污染物主要包括有机碳污染源(化学需氧量COD、生化需氧量BOD)、有机氮污染物(氨氮)和磷化合物,这些污染物主要来源于污水中的糖类、蛋白质、氨基酸等。有机物的分解,如油脂,在分解过程中消耗大量的溶解氧,加上大量动植物的呼吸,从而进一步增加了耗氧量,导致水体缺氧。厌氧微生物扩散分解有机物,产生大量发黑、发臭的物质,导致水体发黑、发臭。此外,水体表面有机膜的形成将破坏正常的水气界面交换,从而加重水体[16][17][18][19]的发黑和臭味。热污染也是造成城市河道黑臭的外部污染之一。城市热污染主要是由大量高温工业冷却水、污水处理厂回水和日常污水排放造成的,导致局部甚至整个水温上升。在适宜的水温下,水中微生物活性较强,导致水中大量有机物的分解、溶解氧的还原和各种臭味物质的释放。夏季水体中黑臭现象明显多于冬季,主要原因是一方面微生物的活动频率与温度呈显著正相关。另一方面,随着温度的升高[20][21],水中溶解氧含量下降。研究[22]表明,当水温低于8℃,高于35℃时,放线菌分解有机物产生发黑和发臭物质的活性受到影响,但放线菌的繁殖在25℃时达到最高水平。水体的黑色气味也达到了最大值。

2) 内源污染

沉积物是城市水体中重要的内源污染物。在水力侵蚀,人为干扰和生物活动的影响下,沉积沉积物在一系列物理 - 化学 - 生物相互作用下重新悬浮并吸附在沉积物颗粒上。污染物与孔隙水交换,将污染物释放到水体中。大量悬浮颗粒漂浮在水中,导致身体闻到黑色和气味。此外,大量的沉积物为微生物提供了良好的生存空间,放线菌和蓝细菌通过新陈代谢。其效果是对沉积物进行甲烷化和反硝化,使沉积物漂浮,使身体变黑并且有气味[23]。相关研究[24]表明,太湖地区出现了局部黑臭水体现象。现场监测和数据分析表明,当地黑臭水体的区域分布与太湖底部淤泥集中区的位置基本一致,并进一步指出湖中藻类在大规模繁殖后发生。死亡沉降,藻类有机物的大量积累是沉积物的主要成分,也是形成局部黑臭水的基础。

(二) 水动力条件

水动力条件不充分、水循环不畅是造成河水黑臭的原因之一,如水量不足、流速慢、河道硬化等,可能导致河水黑臭[25]。水循环与水污染过程密切相关。城市水循环是水污染形成、迁移、转化等一系列过程的载体,也是影响其动态过程的因素之一[26]。水循环在水污染过程中的作用主要体现在两个方面:一是人类活动改变了河流的特征,影响了污染物的迁移转化过程,进而影响了流域的水环境。人工取水口在一定程度上改变了原有的水量分布,降低了该地区的自然水循环流量。同时,不断增加的用水量导致水量不足,水量不足,无法稀释污染物,容易出现黑臭现象。其次,污染物也随着水循环过程而迁移转化,在每个水循环要素的过程中,水污染物都会进入环境中。当水循环缓慢时,部分产品会对环境造成二次污染,进一步降低水资源和水环境质量[27]。

(三)黑臭水体形成的化学机理

1) 致黑机理

水变黑的原理主要有两种,一种是水中以固体形式存在或吸附在悬浮颗粒上的不溶性物质,另一种是溶解在水中的有色腐殖质有机物[28]。罗纪旦等人[29]发现水体发黑与悬浮颗粒有直接关系,悬浮颗粒中的发黑物质主要是腐殖酸和黄腐酸。近年来,太湖水体中频繁出现的“黑水团”是指在厌氧条件下,受污染河流上覆水体和沉积物中的有色有机物形成的暗褐色水团,主要含有腐殖质、富里酸等物质[30]。英泰林等人[31]研究了苏州河水的黑色气味。通过沉淀分离、氧化和氧化还原点测定,发现悬浮颗粒在水体发黑中起主导作用。指出悬浮颗粒中腐殖酸和黄腐酸由于吸附Fe、Mn和S化合物而成为主要的发黑物质,并论证了Fe2+在发黑中的主导作用。在微生物的作用下,还原铁从沉积物向上覆水扩散。在硫酸盐还原菌的还原作用下,Fe~(2+)与H_2S反应生成FeS。FeS是一种黑色沉积物,水体中的小悬浮物吸附其中的一部分,而沉积在泥水界面的一些沉积物在厌氧分解产生的气体或气泡的作用下会重新进入上覆水体。再加上其他因素的协同作用,水体是黑色的[32]。

2) 致臭机理

根据臭气产生途径和臭气物质的不同,城市河道恶臭机理大致可分为以下三种:a)H2S和NH3等小分子气体。当水体被严重的有机物污染时,有机物的分解会消耗水体中的溶解氧,导致水体被剥夺氧气。在缺氧水中,臭气的产生与发黑同步进行。有机物的厌氧分解产生甲烷(CH4)、硫化氢(H2S)、氨(NH3)等小分子化合物,具有气味和挥发性。它们溢出到大气中并散发出气味。[33]等结果表明,水的气味主要是由从硫、氮等有机物中逸出的h2s和nh3引起的。此外,有机化合物在分解过程中也会产生低碳脂肪酸和胺。(B)硫化物。通过对腐殖酸和富里酸的酸解产物进行腐殖酸分析,得到近20种氨基酸和大量游离氨,这些氨基酸经脱氨、脱羧和Proteus等细菌分解含硫氨基酸后,产生大量的游离氨气味。还产生了大量具有相当气味的硫醚化合物,导致水体发臭[34]。挥发性有机硫化合物(VOSCs)已被确定为主要的气味剂[35] [36]。结果表明,甲硫醇(Mesh)、二甲基硫醚(DMS)、二甲基二硫醚(DMDS)、三甲基硫醚(DMTS)和四甲基硫醚(DMTES)是黑水和臭水中的主要恶臭物质。(c)"乔司脒"和2-二甲基异辛醇。当水体处于厌氧状态或营养物相对较高时,水体中有大量的放线菌、藻类和真菌,在代谢过程中将分泌各种醇[39]。土壤气味被认为是水体气味中的主要物质之一,包括乔司脒(地民,C12H22O)和2-二甲基异戊二烯(2 MBI,C11H20O)[40]。Gerber [41] [42]在20世纪40年代从放线菌的发酵液中提取出乔司脒和2-二甲基癸醇。因此,放线菌最初被认为是主要的气味化合物。资源。随后,人们将注意力转向藻类,主要是蓝藻,如振荡藻、绿藻、佛手藻和水藻。随后,一些真核藻类,如硅藻,被鉴定为乔司脒和2-二甲基异戊二酸盐的重要来源[43]-[48]。"乔司脒"和2-mbi在较低浓度下可在天然水体中引起气味,气味阈值分别为4和9 ng·l−1,[49]和.

4。曝气工艺对城市黑臭水体的影响及应用实例

(1)曝气复氧对黑臭河流上覆水体的影响

河水中溶解氧含量是反映水体污染状况的重要指标。污染水体中溶解氧浓度的过程反映了河流的自净过程,当河流处于黑色气味状态时,溶解氧被充电。它能快速氧化有机物厌氧降解过程中产生的H2S,甲硫醇,FeS等黑色气味物质,有效改善和缓解水体的黑色气味[6]。肖羽堂[50]等采用曝气复氧技术原位修复黑斜河时,水中溶解氧由0 mg/L变为3.4 mg/L,水透明度达到35cm,水质明显改善,水体pH值由最初的酸度5.0提高到中性,间接表明了这一点。这条河的水体正在逐渐改善。王美丽[8]通过研究曝气对治理黑臭河流水污染的影响,人为曝气所覆盖的水中codcr浓度的变化趋势是先上升后下降。人工曝气加速了底泥覆盖的水中有机物质的释放,有氧细菌的活动迅速增加。数量迅速增加。随着曝气的进行,覆盖水中的确实浓度增加,有氧活动增加,加速了覆盖水体中codcr的降解,codcr浓度从最高67.72毫克/升下降到49.03毫克/升。codcr浓度呈下降趋势。上覆水体中氮的行为特征主要由DO的分布梯度决定,水体中氨氮的硝化作用产生亚硝酸氮和硝态氮。陈玉霞[12]利用曝气和复氧条件研究了黑臭河沉积物中源氮的迁移和转化。当溶解氧水平很高时,硝化作用明显,氨氮急剧下降,由于水流速度快,扰动增大。沉积物中的好氧速率(SOD)和氮的释放潜力较大。水体沉积物中释放出大量氨氮,氨氮增加。由于硝化作用,氨氮逐渐减少,趋于稳定。当DO水平较低时,硝化作用不明显。首先,上覆水中的氨氮增加。随着曝气时间的延长,溶解氧逐渐增加,上覆水中氨氮含量下降,且保持稳定。上覆水中氨氮的变化速率很小。

(二)曝气和复氧对黑色气道沉积物营养盐的影响

曝气复氧作为黑臭河流的常用处理方法,对沉积物中内源营养物质的迁移转化有着双向的影响。曝气扰动使沉积物悬浮在大量上覆水体中,加速沉积物中内源氮污染物的释放,促进内源氮污染物的转化[51]。朱广伟等人通过模拟水槽实验研究了波浪对太湖泥沙再悬浮和氨氮释放的影响。结果表明,模拟水槽波高达到最大浓度时,最大浓度达到[52],最大增加达到[52]。刘波等 [53] 采用水曝气和底泥曝气体式格局对黑臭河流水体氮素的迀移转化举行研讨,研讨效果注解,相比于静置组,水曝气和底泥曝气均能无效增添上覆水、间隙水和底泥中的氮素,此中底泥曝气增添结果最佳,其上覆水、间隙水中 NH+4-NNH4+-N 浓度和底泥中 NH+4-NNH4+-N 含量分手增添72.74%、64.36%、58.73%;水曝气和底泥曝气分手于第9 d、16 d启动硝化,硝化启动较慢。他[54]研究了不同曝气干扰强度对黑臭河流底泥中内源氮行为的影响。结果表明,雷诺数(Re)能很好地表征曝气扰动的强度,曝气扰动与底泥中内源氮的行为密切相关。上覆水中总氮浓度最低(2.95 mg/L),Re为1810。灰色关联分析结果表明,Re对NH+4-NH_4~+-N和TN的影响远大于DO和底泥耗氧速率(SOD)。与内源氮一样,底泥中内源磷的释放也越来越明显。人工曝气技术在国内外河流治理工程中得到了成功的应用。许多学者开始研究其对底泥中内源磷行为的影响[55][56][57]。林建伟等。 [58]研究了曝气条件下沉积物中内源磷的释放规律。 DO浓度是影响沉积物中内源磷释放的重要因素。厌氧不利于抑制沉积物中内源磷的释放。在曝气条件下,pH值较高,并且不能很好地抑制内源性沉积物的释放。干扰引起的沉积物再悬浮加速了沉积物中磷的释放,而上覆水中较高的TP浓度将导致上覆水TP转移到沉积物中。冯海艳等。[59]研究了苏州市珠江沉积物中溶解氧含量对沉积物内源磷释放的影响。当上覆水为厌氧(do<0.50 mg/l)时,内源性磷释放加快。当上覆水体有氧(do>5.00 mg/l)时,内源性磷释放得到有效抑制。因此,提高溶解氧水平是抑制沉积物内源性磷释放的有效措施。

5. 结语与展望

目前,对黑臭河治理的研究是一个非常活跃的研究领域。曝气再氧化技术对黑臭河流影响的研究也在不断发展。研究表明:曝气复合氧技术对黑臭水体中的n、p、do等指标有影响,但采用曝气技术治疗黑臭水体还远远不够。曝气技术和其他合理技术具有广阔的应用前景。曝气复合氧技术可作为城市黑臭水体的初步处理方法。黑臭水体在不同时期水质发生变化后,可与其他处理技术结合使用曝气复合氧技术。例如,种植水生植物或生态浮床,以消除黑色气味,减少有机污染负荷,促进水生生态系统的恢复。

针对现阶段黑臭水体治理问题,提出以下思路:(1)强化责任落实;要切实加强对流域水污染防治工作的领导,把流域污染源治理任务纳入党政目标责任制和领导干部政绩考核指标体系管理。2)强化联动机制,坚持生产、生活、生态用水“三水共治”,推进污水处理技术供给侧改革,防止各类水体发黑发臭。(三)治理新污染源,严格环境准入,全面推行“河长制”管理制,探索技术服务承包责任制。(4)建设具有环保功能的生态河岸带,建设滨河步道、绿化带和污水截流管网,早期有效拦截雨水和生活垃圾对水体的污染和破坏。5)黑臭水体生态修复,建设具有景观净化功能的生态坡岸、多功能生态湿地系统和具有环保功能的溢流坝系统,提高生态水位,去除污染物,提高水体透明度,为水生植物创造光合环境。

曝气技术对城市黑臭水体的影响研究进展

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